Poluprovodnici su materijali koji su, u normalnim uslovima, izolatori, ali sa porastom temperature postaju provodnici. To jest, u poluvodičima, kako temperatura raste, otpor se smanjuje.

Struktura poluprovodnika na primjeru silicijumskog kristala

Razmotrite strukturu poluvodiča i glavne vrste vodljivosti u njima. Kao primjer, uzmite silikonski kristal.

Silicijum je četvorovalentni element. Stoga se u njegovoj vanjskoj ljusci nalaze četiri elektrona koji su slabo vezani za jezgro atoma. Svaki od njih ima još četiri atoma u svom susjedstvu.

Atomi međusobno djeluju i formiraju kovalentne veze. U takvoj vezi učestvuje po jedan elektron iz svakog atoma. Dijagram silikonskog uređaja prikazan je na sljedećoj slici.

slika

Kovalentne veze su dovoljno jake i ne pucaju na niskim temperaturama. Dakle, u silicijumu nema slobodnih nosača naboja, a on je dielektrik na niskim temperaturama. Postoje dvije vrste provodljivosti u poluvodičima: elektronska i rupa.

Elektronska provodljivost

Kada se silicijum zagreje, dodaće mu se dodatna energija. Kinetička energija čestica se povećava i neke kovalentne veze se prekidaju. Ovo stvara slobodne elektrone.

U električnom polju ovi elektroni se kreću između čvorova kristalne rešetke. U tom slučaju u silicijumu će se stvoriti električna struja.

Budući da su slobodni elektroni glavni nosioci naboja, ova vrsta provođenja naziva se elektronsko provođenje. Broj slobodnih elektrona zavisi od temperature. Što više zagrijavamo silicijum, to će se više kovalentnih veza prekinuti, a samim tim i više slobodnih elektrona. To dovodi do smanjenja otpora. I silicijum postaje provodnik.

provodljivost rupa

Kada se kovalentna veza prekine, na mjestu izbačenog elektrona formira se slobodno mjesto koje može zauzeti drugi elektron. Ovo mjesto se zove rupa. Rupa ima višak pozitivnog naboja.

Položaj rupe u kristalu se stalno mijenja, bilo koji elektron može zauzeti ovu poziciju, a rupa će se pomjeriti tamo odakle je elektron skočio. Ako nema električnog polja, onda je kretanje rupa nasumično, pa stoga nema struje.

Ako je prisutna, postoji uređenost u kretanju rupa, a osim struje koju stvaraju slobodni elektroni, postoji i struja koju stvaraju rupe. Rupe će se kretati u smjeru suprotnom od elektrona.

Dakle, u poluprovodnicima, provodljivost je elektron-rupa. Struju stvaraju i elektroni i rupe. Ova vrsta provodljivosti naziva se i intrinzična provodljivost, jer su uključeni elementi samo jednog atoma.

Poluprovodnici su tvari koje su srednje u električnoj vodljivosti između dobrih provodnika i dobrih izolatora (dielektrika).

Poluprovodnici su i hemijski elementi (germanijum Ge, silicijum Si, selen Se, telur Te) i jedinjenja hemijskih elemenata (PbS, CdS itd.).

Priroda nosilaca struje u različitim poluvodičima je različita. U nekim od njih, nosioci naboja su joni; u drugima, nosioci naboja su elektroni.

Intrinzična provodljivost poluprovodnika

Postoje dvije vrste unutrašnje provodljivosti u poluvodičima: elektronska provodljivost i provodljivost kroz šupljine u poluvodičima.

1. Elektronska provodljivost poluprovodnika.

Elektronska provodljivost se ostvaruje usmjerenim kretanjem u međuatomskom prostoru slobodnih elektrona koji su napustili valentnu ljusku atoma kao rezultat vanjskih utjecaja.

2. Hole provodljivost poluprovodnika.

Provođenje kroz otvore vrši se usmjerenim kretanjem valentnih elektrona na slobodna mjesta u par-elektronskim vezama - rupama. Valentni elektron neutralnog atoma koji se nalazi u neposrednoj blizini pozitivnog jona (rupa) privlači rupu i skače u nju. U ovom slučaju se umjesto neutralnog atoma formira pozitivan ion (rupa), a umjesto pozitivnog jona (rupa) neutralni atom.

U idealno čistom poluprovodniku bez ikakvih stranih nečistoća, svaki slobodni elektron odgovara formiranju jedne rupe, tj. broj elektrona i rupa uključenih u stvaranje struje je isti.

Vodljivost pri kojoj se javlja isti broj nosilaca naboja (elektrona i rupa) naziva se intrinzična provodljivost poluvodiča.

Intrinzična provodljivost poluprovodnika je obično mala, jer je broj slobodnih elektrona mali. Najmanji tragovi nečistoća radikalno mijenjaju svojstva poluprovodnika.

Električna provodljivost poluprovodnika u prisustvu nečistoća

Nečistoće u poluprovodniku su atomi stranih hemijskih elemenata koji se ne nalaze u glavnom poluprovodniku.

Provodljivost nečistoća- ovo je provodljivost poluvodiča, zbog unošenja nečistoća u njihove kristalne rešetke.

U nekim slučajevima, utjecaj nečistoća se očituje u činjenici da "rupa" mehanizam provodljivosti postaje praktički nemoguć, a struja u poluvodiču se odvija uglavnom kretanjem slobodnih elektrona. Takvi poluprovodnici se nazivaju elektronskih poluprovodnika ili poluvodiči n-tipa(od latinske riječi negativus - negativan). Glavni nosioci naboja su elektroni, a ne rupe. Poluprovodnici n-tipa su poluprovodnici sa donorskim nečistoćama.

1. Donatorske nečistoće.

Donatorske nečistoće su one koje lako doniraju elektrone i, posljedično, povećavaju broj slobodnih elektrona. Donorske nečistoće dovode elektrone provodljivosti bez pojave istog broja rupa.

Tipičan primjer donorske nečistoće u tetravalentnom germaniju Ge su petovalentni atomi arsena As.

U drugim slučajevima, kretanje slobodnih elektrona postaje praktično nemoguće, a struja se provodi samo kretanjem rupa. Ovi poluprovodnici se nazivaju poluprovodnici sa rupom ili poluvodiči p-tipa(od latinske riječi positivus - pozitivan). Glavni nosioci naboja su rupe, a ne glavni - elektroni. . Poluprovodnici p-tipa su poluprovodnici sa primesama akceptora.

Akceptorske nečistoće su nečistoće u kojima nema dovoljno elektrona da formiraju normalne veze par-elektron.

Primjer akceptorske nečistoće u germaniju Ge su trovalentni atomi galija Ga

Električna struja kroz kontakt poluprovodnika p-tipa i n-tipa p-n spoja je kontaktni sloj dva poluvodiča nečistoća p-tipa i n-tipa; P-n spoj je granica koja razdvaja oblasti sa provodljivošću rupa (p) i elektronskom (n) provodnošću u istom monokristalu.

direktni p-n spoj

Ako je n-poluprovodnik spojen na negativni pol izvora napajanja, a pozitivni pol izvora napajanja spojen na p-poluprovodnik, tada se pod dejstvom električnog polja elektroni u n-poluprovodniku i rupe u p-poluprovodniku će se kretati jedna prema drugoj do sučelja poluprovodnika. Elektroni, prelazeći granicu, "pune" rupe, struju kroz pn spoj provode glavni nosioci naboja. Kao rezultat, povećava se provodljivost cijelog uzorka. Sa takvim direktnim (propusnim) smjerom vanjskog električnog polja, debljina barijerskog sloja i njegov otpor se smanjuju.

U tom pravcu struja prolazi kroz granicu dva poluprovodnika.

Obrnuti pn spoj

Ako je n-poluprovodnik spojen na pozitivni pol izvora napajanja, a p-poluprovodnik na negativni pol izvora napajanja, tada će elektroni u n-poluprovodniku i rupe u p-poluprovodniku pod dejstvom električnog polja će se kretati od sučelja u suprotnim smjerovima, struju kroz p -n-prijelaz obavljaju manji nosioci naboja. To dovodi do zadebljanja sloja barijere i povećanja njegove otpornosti. Kao rezultat toga, provodljivost uzorka je neznatna, a otpor je velik.

Formira se takozvani sloj barijere. S ovim smjerom vanjskog polja, električna struja praktički ne prolazi kroz kontakt p- i n-poluvodiča.

Dakle, prijelaz elektron-rupa ima jednostrano provođenje.

Ovisnost struje o napon - volt - strujna karakteristika pn spoja je prikazana na slici (volt - strujna karakteristika direktnog pn spoja je prikazana punom linijom, volt - amperska karakteristika obrnutog pn spoja je prikazana isprekidanom linijom).

poluprovodnici:

Poluvodička dioda - za ispravljanje naizmjenične struje koristi jedan p - n - spoj s različitim otporima: u smjeru naprijed, otpor p - n - spoja je mnogo manji nego u obrnutom smjeru.

Fotootpornici - za registraciju i mjerenje slabih svjetlosnih tokova. Uz njihovu pomoć odredite kvalitetu površina, kontrolirajte dimenzije proizvoda.

Termistori - za daljinsko mjerenje temperature, požarni alarmi.

>>Fizika: Električna struja u poluvodičima

Koja je glavna razlika između poluprovodnika i vodiča? Koje su strukturne karakteristike poluprovodnika omogućile pristup svim radio uređajima, televizorima i kompjuterima?
Razlika između provodnika i poluprovodnika posebno je evidentna kada se analizira zavisnost njihove električne provodljivosti o temperaturi. Istraživanja pokazuju da se za niz elemenata (silicijum, germanijum, selen, itd.) i jedinjenja (PbS, CdS, GaAs, itd.) otpornost ne povećava sa porastom temperature, kao kod metala ( sl.16.3), ali, naprotiv, izuzetno naglo opada ( sl.16.4). Takve supstance se nazivaju poluprovodnici.

Iz grafikona prikazanog na slici, može se vidjeti da je na temperaturama blizu apsolutne nule otpornost poluvodiča vrlo visoka. To znači da se na niskim temperaturama poluvodič ponaša kao izolator. Kako temperatura raste, njegova otpornost brzo opada.
Struktura poluprovodnika. Da biste uključili tranzistorski prijemnik, ne morate ništa znati. Ali da bi se to stvorilo, trebalo je mnogo znati i imati izuzetan talenat. Općenito razumjeti kako radi tranzistor nije tako teško. Prvo se morate upoznati s mehanizmom provodljivosti u poluvodičima. A za ovo morate proniknuti priroda veza držeći atome poluvodičkog kristala jedan pored drugog.
Na primjer, uzmite u obzir silikonski kristal.
Silicijum je četvorovalentni element. To znači da se u vanjskoj ljusci njegovog atoma nalaze četiri elektrona relativno slabo vezana za jezgro. Broj najbližih susjeda svakog atoma silicija je također četiri. Dijagram strukture silicijumskog kristala prikazan je na slici 16.5.

Interakcija para susjednih atoma se vrši pomoću veze par-elektron, tzv kovalentna veza. U formiranju ove veze iz svakog atoma učestvuje po jedan valentni elektron, koji se odvaja od atoma kojem pripadaju (sakuplja ih kristal) i tokom svog kretanja većinu vremena provode u prostoru između susjednih atoma. Njihov negativni naboj drži pozitivne ione silicijuma u blizini.
Ne treba misliti da kolektivizirani par elektrona pripada samo dva atoma. Svaki atom formira četiri veze sa svojim susjedima i svaki valentni elektron može se kretati duž jedne od njih. Došavši do susjednog atoma, može prijeći na sljedeći, a zatim dalje duž cijelog kristala. Valentni elektroni pripadaju cijelom kristalu.
Veze par-elektron u silicijumskom kristalu su dovoljno jake i ne pucaju na niskim temperaturama. Stoga silicijum ne provodi električnu energiju na niskim temperaturama. Valentni elektroni uključeni u vezivanje atoma su, takoreći, "cementirajuća otopina" koja drži kristalnu rešetku, a vanjsko električno polje nema primjetan utjecaj na njihovo kretanje. Kristal germanija ima sličnu strukturu.
elektronska provodljivost. Kada se silicijum zagrije, kinetička energija čestica se povećava, a pojedinačne veze pucaju. Neki elektroni napuštaju svoje "utabane staze" i postaju slobodni, poput elektrona u metalu. U električnom polju, oni se kreću između čvorova rešetke, stvarajući električnu struju ( sl.16.6).

Vodljivost poluvodiča zbog prisustva slobodnih elektrona u njima naziva se elektronska provodljivost. Kako temperatura raste, broj prekinutih veza, a time i broj slobodnih elektrona, raste. Kada se zagrije od 300 do 700 K, broj slobodnih nosača naboja raste sa 10 17 na 10 24 1/m 3 . To dovodi do smanjenja otpora.
provodljivost rupa. Kada je veza prekinuta između atoma poluvodiča, formira se praznina sa nedostajućim elektronom. On je zvao rupa. Rupa ima višak pozitivnog naboja u poređenju sa ostatkom neprekinutih veza (vidi sliku 16.6).
Položaj rupe u kristalu nije fiksiran. Sljedeći proces se kontinuirano odvija. Jedan od elektrona koji obezbjeđuju vezu između atoma skače na mjesto formirane rupe i ovdje obnavlja vezu par-elektron, a tamo odakle je ovaj elektron skočio nastaje nova rupa. Tako se rupa može pomicati kroz kristal.
Ako je jačina električnog polja u uzorku nula, tada se kretanje rupa, ekvivalentno kretanju pozitivnih naboja, događa nasumično i stoga ne stvara električnu struju. U prisustvu električnog polja dolazi do uređenog kretanja rupa, pa se električna struja povezana s kretanjem rupa dodaje električnoj struji slobodnih elektrona. Smjer kretanja rupa je suprotan smjeru kretanja elektrona ( sl.16.7).

U nedostatku vanjskog polja, postoji jedna rupa (+) za jedan slobodni elektron (-). Kada se primeni polje, slobodni elektron se pomera u odnosu na jačinu polja. Jedan od vezanih elektrona također se kreće u tom smjeru. Izgleda kao da se rupa kreće u pravcu polja.
Dakle, u poluvodičima postoje dvije vrste nosilaca naboja: elektroni i rupe. Stoga, poluvodiči imaju ne samo elektronske, već i provodljivost rupa.
Razmatrali smo mehanizam provodljivosti u čistim poluprovodnicima. Provodljivost u ovim uslovima se naziva vlastitu provodljivost poluprovodnici.
Provodljivost čistih poluvodiča (unutrašnja provodljivost) se ostvaruje kretanjem slobodnih elektrona (elektronska provodljivost) i kretanjem vezanih elektrona do slobodnih mjesta veza par-elektron (provodljivost kroz rupe).

???
1. Koja veza se naziva kovalentna?
2. Koja je razlika između zavisnosti otpora poluprovodnika i metala o temperaturi?
3. Koji mobilni nosioci naboja postoje u čistom poluprovodniku?
4. Šta se dešava kada elektron sretne rupu?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fizika 10. razred

Sadržaj lekcije sažetak lekcije podrška okvir prezentacije lekcije akcelerativne metode interaktivne tehnologije Vježbajte zadaci i vježbe samoispitivanje radionice, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća diskusija pitanja retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video i multimedija fotografije, slike grafike, tabele, šeme humor, anegdote, vicevi, stripovi, parabole, izreke, ukrštene reči, citati Dodaci sažetakačlanci čipovi za radoznale cheat sheets udžbenici osnovni i dodatni glosar pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i lekcijaispravljanje grešaka u udžbeniku ažuriranje fragmenta u udžbeniku elementi inovacije u lekciji zamjena zastarjelih znanja novim Samo za nastavnike savršene lekcije kalendarski plan za godinu metodološke preporuke programa diskusije Integrisane lekcije

Ako imate ispravke ili prijedloge za ovu lekciju,

U ovoj lekciji ćemo razmotriti takav medij za prolaz električne struje kao poluvodiči. Razmotrit ćemo princip njihove vodljivosti, ovisnost ove vodljivosti o temperaturi i prisutnosti nečistoća, razmotriti koncept kao što je p-n spoj i osnovni poluvodički uređaji.

Ako napravite direktnu vezu, tada će vanjsko polje neutralizirati ono za zaključavanje, a struju će stvarati glavni nosioci naboja (slika 9).

Rice. 9. p-n spoj sa direktnom vezom ()

U ovom slučaju, struja manjinskih nosilaca je zanemarljiva, praktično je i nema. Dakle, p-n spoj omogućava jednosmjerno provođenje električne struje.

Rice. 10. Atomska struktura silicijuma sa porastom temperature

Provodljivost poluprovodnika je elektron-rupa, a takva provodljivost se naziva intrinzična provodljivost. I za razliku od vodljivih metala, s povećanjem temperature, broj slobodnih naboja samo raste (u prvom slučaju se ne mijenja), dakle, vodljivost poluvodiča raste s povećanjem temperature, a otpor se smanjuje (slika 10).

Veoma važno pitanje u proučavanju poluprovodnika je prisustvo nečistoća u njima. A u slučaju prisustva nečistoća, treba govoriti o provodljivosti nečistoća.

Poluprovodnici

Mala veličina i vrlo visok kvalitet prenošenih signala učinili su poluvodičke uređaje vrlo čestim u modernoj elektronskoj tehnologiji. Sastav takvih uređaja može uključivati ​​ne samo gore spomenuti silicij s nečistoćama, već i, na primjer, germanij.

Jedan od ovih uređaja je dioda - uređaj sposoban da propušta struju u jednom smjeru i spriječi njen prolaz u drugom. Dobiva se implantacijom drugog tipa poluprovodnika u poluprovodnički kristal p- ili n-tipa (slika 11).

Rice. 11. Oznaka diode na dijagramu i dijagramu njenog uređaja, respektivno

Drugi uređaj, sada sa dva p-n spoja, zove se tranzistor. Služi ne samo za odabir smjera strujnog toka, već i za njegovu konverziju (slika 12).

Rice. 12. Šema strukture tranzistora i njegova oznaka na električnom kolu, odnosno ()

Treba napomenuti da moderni mikro krugovi koriste mnoge kombinacije dioda, tranzistora i drugih električnih uređaja.

U sljedećoj lekciji ćemo se osvrnuti na širenje električne struje u vakuumu.

Bibliografija

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (osnovni nivo) - M.: Mnemozina, 2012.
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10 razred. - M.: Ileksa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. fizika. Elektrodinamika. - M.: 2010.

1. Principi rada uređaja ().
2. Enciklopedija fizike i tehnologije ().

Zadaća

1. Šta uzrokuje provodljivost elektrona u poluvodiču?
2. Šta je intrinzična provodljivost poluprovodnika?
3. Kako provodljivost poluvodiča ovisi o temperaturi?
4. Koja je razlika između donorske i akceptorske nečistoće?
5. * Kolika je provodljivost silicijuma sa primesom a) galijuma, b) indijuma, c) fosfora, d) antimona?

Električna struja u poluvodičima Svrha lekcije: formirati ideju o slobodnim nosiocima električnog naboja u poluvodičima i prirodi električne struje u poluvodičima. Vrsta časa: čas učenja novog gradiva. PLAN ČASA Provjera znanja 5 min. 1. Električna struja u metalima. 2. Električna struja u elektrolitima. 3. Faradejev zakon za elektrolizu. 4. Električna struja u plinovima Demonstracija 5 min. Fragmenti video filma "Električna struja u poluprovodnicima" Učenje novog gradiva 28 min. 1. Nosači naboja u poluprovodnicima. 2. Nečistoća provodljivosti poluprovodnika. 3. Prijelaz elektron-rupa. 4. Poluvodičke diode i tranzistori. 5. Integrisana kola Konsolidacija proučenog materijala 7 min. 1. Kvalitativna pitanja. 2. Učenje rješavanja zadataka PROUČAVANJE NOVOG MATERIJALA 1. Nošenje naelektrisanja u poluprovodnicima Specifični otpori poluprovodnika na sobnoj temperaturi imaju vrijednosti koje su u širokom rasponu, tj. od 10-3 do 107 Ohm m, i zauzimaju srednju poziciju između metala i dielektrika. Poluprovodnici su tvari čija otpornost vrlo brzo opada s porastom temperature. Poluprovodnici uključuju mnoge hemijske elemente (bor, silicijum, germanijum, fosfor, arsen, selen, telur, itd.), ogroman broj minerala, legura i hemijskih jedinjenja. Gotovo sve neorganske tvari okolnog svijeta su poluvodiči. Za dovoljno niske temperature i odsustvo vanjskih efekata osvjetljenja ili grijanja), poluvodiči ne provode električnu struju: u ovim uvjetima svi elektroni u poluvodičima su vezani. Međutim, veza elektrona sa njihovim atomima u poluvodičima nije tako jaka kao u dielektricima. A u slučaju povećanja temperature, kao i kod jakog osvjetljenja, neki elektroni se odvajaju od svojih atoma i postaju slobodni naboji, odnosno mogu se kretati po uzorku. Zbog toga se u poluvodičima pojavljuju nosioci negativnog naboja - slobodni elektroni. elektrona se naziva elektron. Kada se elektron odvoji od atoma, pozitivni naboj tog atoma postaje nekompenziran, tj. na ovom mjestu se pojavljuje dodatni pozitivan naboj koji se naziva “rupa”. Atom u blizini kojeg je nastala rupa može odnijeti vezani elektron susjednom atomu, dok će se rupa pomaknuti do susjednog atoma, a taj atom zauzvrat može "proći" rupu dalje. Takvo "palice" kretanje vezanih elektrona može se smatrati kretanjem rupa, odnosno pozitivnih naboja. Vodljivost poluprovodnika zbog kretanja (na primjer, naboja. Vodljivost poluprovodnika zbog kretanja rupa se naziva rupa. Razlika između provodljivosti rupa i Dakle, elektronska provodljivost je u tome što je elektronska provodljivost zbog kretanja slobodnih elektrona u poluvodičima, a provodljivost rupa je zbog kretanja vezanih elektrona. U čistom poluprovodniku (bez nečistoća), električna struja stvara isti broj slobodnih elektrona i rupa. Ova provodljivost se naziva intrinzična provodljivost poluprovodnika.2 Nečistoća provodljivosti poluprovodnika Ako čistom rastopljenom silicijumu dodate malu količinu arsena (oko 10-5%), nakon stvrdnjavanja, obična kristalna silicijumska rešetka, ali na nekim mestima rešetke, umesto atoma silicijuma, biće atomi arsena. Arsen je, kao što znate, petovalentni element.Hotivalentni elektroni formiraju uparene elektronske veze sa susjednim atomima silicijuma. n-ti elektron neće imati dovoljno veza, dok će biti tako slabo vezan za atom arsena, koji se lako oslobađa. Kao rezultat, svaki atom nečistoće će dati jedan slobodan elektron. Nečistoće čiji atomi lako doniraju elektrone nazivaju se donorskim nečistoćama. Elektroni iz atoma silicija mogu postati slobodni, formirajući rupu, stoga nečistoće koje "hvataju" elektrone atoma mogu istovremeno postojati u kristalu, a slobodni elektroni i rupe se nazivaju. Međutim, biće mnogo puta više slobodnih elektrona nego rupa. Poluprovodnici u kojima su elektroni glavni nosioci naboja nazivaju se poluvodiči n-tipa. Ako se silicijumu doda mala količina trovalentnog indija, tada će se promijeniti priroda vodljivosti poluvodiča. Pošto indijum ima tri valentna elektrona, on može uspostaviti kovalentnu vezu sa samo tri susedna atoma. Elektron nije dovoljan da uspostavi vezu sa četvrtim atomom. Indijum "posuđuje" elektron od susjednih atoma, kao rezultat, svaki atom Indije formira jedno slobodno mjesto - rupu. kristalna rešetka poluprovodnika, akceptor. U slučaju akceptorske nečistoće, glavni nosioci naboja imaju rupe prilikom prolaska električne struje kroz poluvodič. Poluprovodnici u kojima su rupe najveći nosioci naboja nazivaju se poluvodiči p-tipa. Gotovo svi poluvodiči sadrže i donorske i akceptorske nečistoće. Vrsta provodljivosti poluvodiča određuje nečistoću s većom koncentracijom nosilaca naboja - elektrona i rupa. 3. Tranzicija elektron-rupa Među fizičkim svojstvima svojstvenim poluprovodnicima, osobine kontakata (p-n-spoj) između poluprovodnika sa različitim tipovima provodljivosti su dobile najveću primenu. U poluvodiču n-tipa, elektroni učestvuju u termičkom kretanju i difundiraju kroz granicu u poluvodič p-tipa, gdje je njihova koncentracija mnogo niža. Slično, rupe će difundirati od p-tipa poluvodiča do n-tipa poluvodiča. To se događa baš kada atomi otopljene tvari difundiraju iz jakog rješenja u slabo rješenje kada se sudaraju. Kao rezultat difuzije, područje blizu kontakta je iscrpljeno glavnim nosiocima naboja: u poluvodiču n-tipa koncentracija elektrona opada, a u poluvodiču p-tipa koncentracija rupa. Stoga je otpor kontaktne površine vrlo značajan. Difuzija elektrona i rupa kroz p-n spoj dovodi do toga da je poluvodič n-tipa iz kojeg dolaze elektroni nabijen pozitivno, a p-tip negativno. Formira se dvostruki električni sloj koji stvara električno polje koje sprečava dalju difuziju nosilaca slobodne struje kroz poluvodički kontakt. Pri određenom naponu između dvostruko naelektrisanog sloja, prestaje dalje osiromašenje područja blizu kontakta od strane glavnih nosilaca. Ako je sada poluprovodnik spojen na izvor struje tako da je njegovo elektronsko područje povezano s negativnim polom izvora, a područje rupe s pozitivnim polom, tada će električno polje koje stvara strujni izvor biti usmjereno tako da se kreće glavni nosioci struje u svakoj sekciji poluprovodnika sa p-n-spojem. Nakon kontakta, sekcija će biti obogaćena glavnim nosiocima struje, a njegov otpor će se smanjiti. Kroz kontakt će teći značajna struja. Smjer struje u ovom slučaju se naziva propusnost ili direktni. Međutim, ako je poluvodič n-tipa spojen na pozitivni, a poluvodič p-tipa na negativni pol izvora, tada se područje blizu kontakta širi. Otpor područja je znatno povećan. Struja kroz prelazni sloj će biti veoma mala. Ovaj smjer struje naziva se zatvaranje ili obrnuto. 4. Poluprovodničke diode i tranzistori Zbog toga, kroz interfejs između poluprovodnika n-tipa i p-tipa, električna struja teče samo u jednom smeru – od poluprovodnika p-tipa ka poluprovodniku n-tipa. Ovo se koristi u uređajima koji se nazivaju diode. Poluvodičke diode koriste se za ispravljanje naizmjenične struje (takva se struja naziva naizmjenična), kao i za proizvodnju LED dioda. Poluvodički ispravljači imaju visoku pouzdanost i dug vijek trajanja. uređaji: Poluprovodničke diode se široko koriste u radio prijemnicima, video rekorderima, televizorima, kompjuterima. Još važnija primena poluprovodnika bio je tranzistor. Sastoji se od tri sloja poluprovodnika: na rubovima su poluprovodnici jedne vrste, a između njih je tanak sloj druge vrste poluprovodnika. Široka upotreba tranzistora je zbog činjenice da se oni mogu koristiti za pojačavanje električnih signala. Stoga je tranzistor postao glavni element mnogih poluvodičkih uređaja. 5. Integrisana kola Poluprovodničke diode i tranzistori su "građevinski blokovi" veoma složenih uređaja, koji se nazivaju integrisana kola. Mikro kola danas rade u kompjuterima i televizorima, mobilnim telefonima i veštačkim satelitima, u automobilima, avionima, pa čak i u mašinama za pranje veša. Integrisano kolo je napravljeno na silikonskoj pločici. Veličina ploče je od milimetra do centimetra, a jedna takva ploča može da primi i do milion komponenti - sićušnih dioda, tranzistora, otpornika itd. Važne prednosti integrisanih kola su velika brzina i pouzdanost, kao i niska cena. . Zahvaljujući tome, na bazi integrisanih kola, bilo je moguće kreirati složene, ali dostupne mnogim uređajima, računarima i modernim kućanskim aparatima. PITANJE UČENICIMA TOKOM PREZENTACIJE NOVOG MATERIJALA Prvi nivo 1. Koje supstance se mogu svrstati u poluprovodnike? 2. Kretanje kojih naelektrisanih čestica stvara struju u poluprovodnicima? 3. Zašto otpor poluprovodnika jako zavisi od prisustva nečistoća? 4. Kako nastaje p-n spoj? Koje osobine ima p-n spoj? 5. Zašto slobodni nosioci naboja ne mogu proći kroz p-n spoj poluprovodnika? Drugi nivo 1. Nakon unošenja nečistoća arsena u germanijum, koncentracija elektrona provodljivosti se povećava. Kako se u ovom slučaju promijenila koncentracija rupa? 2. Uz pomoć kojeg iskustva se može uvjeriti u jednostranu provodljivost poluvodičke diode? 3. Da li je moguće dobiti pn spoj spajanjem kalaja u germanij ili silicijum? KONFIGURACIJA PROUČAVANOG MATERIJALA 1). Kvalitativna pitanja 1. Zašto su zahtjevi za čistoćom poluvodičkih materijala vrlo visoki (u nekim slučajevima nije dozvoljeno prisustvo čak i jednog atoma nečistoće na milion atoma)? 2. Nakon uvođenja nečistoća arsena u germanij, koncentracija elektrona provodljivosti se povećava. Kako se u ovom slučaju promijenila koncentracija rupa? 3. Šta se dešava u kontaktu dva poluprovodnika n- i p-tipa? 4. U zatvorenoj kutiji nalaze se poluvodička dioda i reostat. Krajevi uređaja se izvode i spajaju na terminale. Kako odrediti koji terminali pripadaju diodi? 2). Učenje rješavanja zadataka 1. Kakvu provodljivost (elektronsku ili rupičastu) ima silicijum dopiran galijumom? indija? fosfor? antimon? 2. Koja će provodljivost (elektronska ili rupičasta) biti u silicijumu ako mu se doda fosfor? bor? aluminijum? arsenik? 3. Kako će se promijeniti otpor silicijumskog uzorka sa primesom fosfora ako se u njega unese primesa galija? Koncentracija atoma fosfora i galija je ista. (Odgovor: povećaće se) ŠTA SMO NAUČILI NA LEKCIJI · Poluprovodnici su supstance čija otpornost vrlo brzo opada sa porastom temperature. Vodljivost poluvodiča zbog kretanja elektrona naziva se elektronskom. Vodljivost poluprovodnika zbog kretanja rupa naziva se provodljivost rupa. Nečistoće čiji atomi lako doniraju elektrone nazivaju se donorskim nečistoćama. · Poluprovodnici u kojima su glavni nosioci naboja elektroni nazivaju se poluprovodnici n-tipa. · Nečistoće koje "hvataju" elektrone atoma kristalne rešetke poluprovodnika nazivaju se akceptorima. · Poluprovodnici u kojima su rupe glavni nosioci naboja nazivaju se poluprovodnici p-tipa. · Kontakt dva poluprovodnika sa različitim vrstama provodljivosti ima svojstva da dobro provodi struju u jednom pravcu i mnogo lošije u suprotnom, tj. ima jednosmjernu provodljivost. Domaći zadatak 1. §§ 11, 12.